生物能源发展现状与战略思考

黄瑞荣， 盛宣才， 任开磊， 刘志伟， 朱安明*

(1.国家林业和草原局华东调查规划设计院，浙江 杭州 310019；2.国家林业和草原局昆明勘察设计院，云南 昆明 650031)

化石资源是现代工业和人类生活文明的物质基础，石油、煤炭、天然气不仅提供了基本能源[1]，而且还提供了99%的有机工业原料。随着对能源需求的不断增加，石油等非再生性化石能源逐渐枯竭，进入到20世纪末叶，世界范围内的能源危机日益严重，国际上相继发生了多次能源危机[2-3]，给全球的经济造成了巨大损失，能源问题成了全世界共同面临的难题。据专家预计，如果按照当前水平开采全球已探明的能源，煤炭资源可开采100年，天然气可开采50～60年，石油也将在100年后被耗尽[4]。随着我国能源资源匮乏和能源结构不合理问题日益突出，我国已成为仅次于美国的世界第二大能源消耗国，能源对外依存度不断提高，石油安全问题十分突出，能源短缺已成为制约我国经济发展的瓶颈[5]。因此，寻找可再生替代能源也是我国当前社会发展过程中面临的重要难题。为维持人类文明高水平持续发展，势必需要寻求一种新的能源利用方式。这种新的能源及其利用方式，在提供可再生清洁能源和资源的同时，可减少环境污染且不影响粮食安全。其中，生物能源是最理想的可再生能源之一，其清洁转化利用技术开发是未来经济发展的希望与方向[6]。

生物能源，又称生物质能源，是蕴藏在生物质中的能量，是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量。合理开发利用可再生生物能源，可以缓解能源危机，减少温室气体排放，维持碳平衡；其污染低，相比化石能源有巨大的储存量[7-9]，优势极其明显。且生物能源产业是一种土地密集型能源生产形式[10]，大力发展生物能源产业可以解决三农问题。以粮食为原料的生物能源已在许多国家开始产业化发展，然而基于粮食安全，开发木质纤维素是当前国内外生物能源开发的最优选择。本文以生物能源的定义及特点为出发点，探讨了生物能源的发展现状及存在的问题，同时对生物能源的进一步开发利用进行了展望。

1 生物能源的定义与特点

生物能源是太阳能以化学能形式储存在生物中的一种能量形式，是以生物质为载体的能量，是绿色可再生能源。生物能源产业已成为近年来全球性新兴产业。生物能源来源广泛，原料多样化，几乎所有有机物均可用作原料。其中包括糖质原料(菊芋、甘蔗、甜菜、甜高粱等)，淀粉原料(玉米、甘薯、木薯)，木质纤维素原料(柳枝稷、芒草、木本植物、农作物秸秆、林木废弃物)，非食用油脂原料(油菜、向日葵、棕榈、花生、麻疯树、油楠、续随子、绿玉树、古巴香胶)和其他有机废弃物(动物废弃物、城市垃圾等)[11]。世界各国对生物能源开发投入了前所未有的关注，以生物质为原料转化的生物柴油、生物酒精、生物制氢等新型生物能源陆续被研发，并制定了相应计划，如日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划等。

目前世界生物能源开发可分为3个板块，一是以生物乙醇为代表的美巴板块，领跑在前；二是突出环保和产品多元化的欧洲板块，紧紧跟上；三是起步较晚的跟进板块，有中国、日本、印度等国。在产品上，领跑的是生物乙醇，随后是固体燃料、沼气和生物柴油等。

依据原料来源不同、产品形态不同，生物能源可以划分为不同类别。较为公认的划分方式是2008年联合国粮农组织(FAO)根据利用效率和加工程度不同，将生物能源分为初级生物燃料(如木质作物、木质颗粒等天然未加工生物质，用于日常生活和小型生产等，直接燃烧获得能量)和高级生物燃料(如燃料乙醇、生物柴油、沼气、发酵氢气等加工后的生物能源)。

1.1 初级生物燃料

生物质颗粒燃料是把树皮、木屑和秸杆等，在加热、高压的条件下压缩形成的颗粒状成型物。经过多年的发展，目前生物质颗粒燃料在发达国家已被大量生产和利用。目前国内部分高校和科研机构已开展了生物质颗粒成型技术的研究，已经可以生产从秸秆粉碎加工到压缩成型等各个环节的系列产品，生物煤目前也已经有了一定范围的应用[12]。

薪炭林作为生物质颗粒燃料的主要来源，目前国际上对薪炭林的利用主要是将其转化为电力、液体燃料和固化成型燃料等，在一定范围内减少和替代矿物燃料的使用，发展高效、清洁、低污染、低成本的生物气化发电、液化等技术。国外生物发电能源主要树种有柳树(美国、英国、瑞典)、杨树(瑞典)、按树(丹麦、加拿大、澳大利亚)、美洲苏合香、美国印第安纳枫、一球悬铃木与刺槐等[13]。我国对生物发电能源树种的开发起步较迟，主要树种有紫穗槐、刺槐、柳树[14]。

1.2 高级生物燃料

高级生物燃料由于产生的能量更高，应用范围更广而成为现阶段生物能源发展的主体。

1.2.1 燃料乙醇

燃料乙醇是目前世界上生产和使用最普遍的生物燃料。2010年全球燃料乙醇的生产占全部生物燃料累积投资的54%，其中主要集中于美国和巴西(甘蔗乙醇)。乙醇混合燃料可以改进发动机的燃烧效果，减少一氧化碳、二氧化硫、未燃碳氢化合物和烟尘等致癌物质的排放。因而，已经有越来越多的国家明令要求在汽油中添加一定量(10%～15%)乙醇作为运输燃料，以缓解石油消费压力，同时减少大气污染物的释放。我国部分地区石油中强制添加乙醇，亦是为节能减排。

燃料乙醇是指以玉米、小麦、薯类、高粱、甘蔗、甜菜等粮食作物和非粮食作物为原料，经过发酵、蒸馏制得乙醇，脱水后再添加变性剂，成为专门用于燃料的乙醇。燃料乙醇使用有两种方法，一是以乙醇为汽油的“含氧添加剂”，通常这种无铅汽油约含10%的乙醇，另一种方法是使用乙醇代替汽油，这方面的工艺也十分成熟。从技术路线看，燃料乙醇的生产技术大致分为六糖路线和五糖路线两类。六糖路线原料主要为经济农作物，分淀粉类作物和糖类作物；五糖路线原料为秸秆等纤维素，经降解和发酵产生木糖，进而生产乙醇。国际上成熟的乙醇路线是六糖路线，但存在较为严重的原料供应瓶颈。纤维素(五糖)路线是燃料乙醇发展的最终路线，但目前缺乏高效五糖转化菌种以及纤维素酶高效生产工程化技术。

乙醇生产原料根据其加工的难易，可分为以下3类：① 糖类，来自甘蔗、甜菜等；②淀粉，来自玉米、谷子等；③木质纤维，来自秸秆、蔗渣等。表1分别列出了利用3种典型生物质资源制取燃料酒精的背景问题、工艺对策及其优缺点[15]。

表1 3种典型生物质资源制取燃料酒精的背景问题及工艺特点

1.2.2 生物柴油

生物柴油是植物油或动物脂肪与某些醇类及氢氧化物催化剂经过酯化作用而获得的一种长链脂肪酸单烷基酯，是可代替石化柴油的再生性柴油燃料。从世界范围看，最常用的原料有油菜籽，还有大豆、棕榈、椰子、麻风树[16]以及向日葵、各种麻类及藻类植物、动物脂肪。生物柴油可以和矿物柴油混合使用，甚至不经混合也可直接用于任何未经改造的压燃式发动机。生物柴油中较高的氧含量有助于充分燃烧，且含硫量低，大大降低了环境污染物的排放。

生物柴油是欧盟国家发展的重点，主要利用油菜籽生产生物柴油，瑞典已建成相当成熟的热电联产技术和商业化运行系统，德国生物能源的发展处于世界前列，生物能源占一次性能源消费的2.3%，占可再生能源市场60%以上，它可以直接在柴油机上使用(B100)或与柴油以任意比例混合使用(如B20)[17]。有研究表明：生物柴油循环和柴油循环的能量效率相近，分别是80.55%和83.28%。生物柴油循环的石化能效比大大提高，大约是柴油的4倍，这充分说明了生物柴油的可再生本质。生物柴油循环中石化质CO2排放降低了78.45%，使用生物柴油有利于减少温室效应。使用生物柴油，柴油机排气管有害物质的排放大大降低，CO下降了46%，THC下降了37%，PM10下降了68%，但NOx比使用柴油时上升了8.89%。生物柴油大规模生产的挑战性在于脂肪和油的来源有限，且原料成本占生物柴油成本的60%～70%。

近年来虽然我国在燃料油能源树种分布、选择、培育及其加工利用等方面进行了一些研究工作，但总的来看目前在能源植物开发方面的研究还较少，对我国油脂植物资源种类、分布缺乏足够的了解，特别是对油脂植物的含油率及含油品质认识不足，对能源植物良种筛选和高效培育技术研究较少，导致了目前在生物能源树种开发中存在较大盲目性，在油脂植物利用上存在单一性，极大地限制了生物能源树种的开发规模。我国生物能源树种主要有黄连木、油楠树、油桐(海南)等。

1.2.3 沼气

一些国家或地区生物能源原料基于城市和工业废料，并可为环境可持续发展做出巨大贡献。如包括用农业和食品加工废料厌氧产生沼气，产生的沼气经传统的热电联产装置(CHP)燃烧产能，系统产生的固体废渣则作为有机混合肥料出售，形成循环经济；或直接通过工业木屑等生物质气化，为城市居民供热、供电，形成“零污染”的生物能源体系。

1.2.4 生物制氢

氢是重要的工业原料，也是最理想的未来能源，其中氢燃料电池被世界公认为是今后燃料电池的主导。世界对氢的需求较大，仅1998年全世界就建造了近20座制氢厂。当前主要从化石燃料、生物质和水来制备氢，其中约有90%的氢来源于天然气反应或者轻油组分的蒸气重整法。碳的气化和水的电解是工业制氢的另一主要方法，但都需消耗大量能量，还会对环境造成污染。然而，生物制氢过程可以在常温常压下进行，且不需要消耗很多能量。生物制氢过程不仅对环境友好，而且开辟了一条利用可再生资源的新道路。对于生物制氢，氢气的纯化与储存是一个很关键的问题[18]。

生物制氢是利用生物质通过微生物发酵而获得氢气。生物制氢包括生物质气化制氢和微生物发酵制氢2种。利用生物质如秸秆等裂解气化制备氢气是一种非常有前景的氢气生产方法，目前国外已完成中试；微生物发酵制氢是另一种有前景的氢气制备方法。目前我国科学家已获得了能高效产氢的微生物，可以小规模地进行生物制氢。

目前生物制氢过程主要有利用藻类或者青蓝菌的生物光解水法；有机化合物的光合细菌(PSB)光分解法；有机化合物的发酵制氢；光合细菌和发酵细菌的耦合法和酶法制氢。

2 我国生物能源的现状及问题

2.1 粮食及能源安全问题

能源安全是国家战略安全保障基础之一，我国的能源问题相当严重，每年原油进口量非常大。以石油为原料的液体燃料燃烧造成大量的污染物，如美国经过多年的统计，空气中主要污染物如CO2和颗粒悬浮物的约70%来自各种燃料燃烧的排放物，硫化物等污染物主要是来自于燃料燃烧。有限储量的化石燃料的减少、能源需求的不断增长以及化石燃料燃烧造成的环境污染和温室效应，使21世纪的能源面临巨大挑战。生物能源虽然可减排减污，但并非所有形式的生物能源都会对温室气体平衡产生积极影响。

在国家禁止以粮食为原料生产生物能源的背景下，我国生物能源研究转向非粮原料和边际土地的利用上[19]。研究表明，我国非粮生物资源丰富，只要合理开发和利用，不但不会威胁粮食安全，反而能保障粮食生产，同时，利用我国广阔的边际土地规划种植能源作物，以解决粮食原料的不足。此外，随着科学技术的发展，利用海洋藻类生产生物柴油，用人工细菌或胚胎微生物生产类似于汽油和柴油的能源替代品等技术趋于成熟，生物能源产业可以逐渐摆脱对农田的依赖，解决与粮食争地的冲突。

2.2 产业链成本与转换效率问题

我国生物能源由于起步较晚，生物炼制总体技术落后于美国、巴西等先进国家，且目前产业化、商品化规模小[20]，这对于生物炼制产品的经济和环境竞争力有很大影响。这一点突出体现在产品生产效率相关指标上，如能耗、水耗等。纤维素热值偏低，资源分散和运输贮藏成本偏高。受综合原料、技术等因素影响，以生物燃料为代表的生物炼制企业普遍存在产品成本较高的问题[21]。

生物能源所需原材料的来源和质量也受到一定的限制。首先，原料制约生物能源发展的一个典型案例就是我国的生物柴油。目前，发展生物柴油产业的主要障碍是生产成本高，大约为石化柴油的1.5倍。以油菜籽为原料的生物柴油，其成本70%～95%是原料费用。因此，是否拥有充足、低值和高品质的原料来源是发展生物燃料产业的前提。大部分非粮作物的种植主要需要利用各类边际土地，种植地域分布上相对于粮食更加分散，并且都有一定地域局限性，例如木薯只适合广东、广西和海南等地区种植，这就增加了原料收集运输的困难，也极大地限制了生产企业的选址。

第二就是原料质量，生物能源所需的原材料质量成为产业化盈利的关键因素。原材料质量主要反映了生物质中纤维素的晶体特性和木质素固定连结特征，其决定了木质纤维素降解转化为生物燃料的成本、转化效率和二次污染。没有足够数量和优良品质的生物质原材料作保证，木质纤维素燃料产业将难于赢利和大规模化生产。

2.3 环境影响

生物质转化过程中的三废处理会大量消耗淡水资源，在生产过程中的洗涤、蒸馏、冷却等环节也需要消耗大量水资源。土壤与水资源的质量也会受到生物燃料生产的影响，但只要经营得当，甚至有可能改良土壤理化性质，朝着好的方面发展。同时，占林为田导致生物多样性下降也是众多学者研究的方向[22]。我国在十八大以来，建设生态文明体制日渐完善，对林地的占用将逐渐减少。

3 发展生物能源的思考及对策

3.1 相关配套政策扶持

研究预测，在美国中西部地区20%的边际土地上，因经济和政策等激励因素，扩张种植生物能源作物(玉米和大豆)将导致鸟类的丰富度减少7%～65%。所以如何谨慎关注、合理引导显得尤为重要。发展生物能源将涉及多个领域(农业、化工、生物、环境、能源)、多个部门(如经济、农业、能源、财政、环保等)，因此有必要在相关行政部门设立专门机构来促进、指导和调控我国生物能源产业的发展。另外，国家多个部门也应加大专项经费，大力资助生物能源整个产业链的研发和配套工程。

3.2 完善国际贸易准则，实现互利共赢

如果有完善的国际贸易体制，则能源产品的流通可同时为出口国和进口国建立互惠关系，一方面出口国可以借此增加额外收入并增加就业机会，另一方面进口国又可实现温室气体减排和复合燃料多样化。由此可见，国际贸易准则对于全球生物燃料发展至关重要[23-25]。

3.3 提高生物能源质量

提高生物能源质量主要从以下两个方面展开，一是能源作物与能源植物的培育与种植，二是能源作物生物质相关降解转化技术的创新与优化。选育能源作物和能源植物可以从源头或本质上解决生物能源原料质和量的问题，能源作物选育是开展大规模生物燃料生产的前提条件，生物资源的多样性和木质纤维素高效降解的(品质)核心技术是关键要素。针对不同能源作物木质纤维素结构与组成的特点，设计出低成本、高效率和少二次污染的方法与途径，并对残余生物质再利用，以提高其综合利用价值。

3.4 生物炼制与石油炼制一体化

由于生物炼制与石油炼制的相似性，如果将生物炼制企业与大型石化企业的生产过程结合起来，对公用工程、副产品综合利用及控制管理流程进行优化配置，可产生显著的协同效应，创造良好的经济、社会和环境效益。大型生物炼制企业的规划和建设涉及工业、农业、林业等多方面，在项目规划和建设时，应积极鼓励考虑当地已有的石化企业基础，在相关技术条件满足要求时，两类企业建设可以相互结合，采取一体化设计、建设、生产。对于生物炼制企业，这在一定程度上可以实现建设和生产成本最小化，同时实现原料利用效率、土地利用效率和产品价值最大化，同时也可减轻国家对生物炼制企业的补贴压力。依托大型石油化工项目建设生物炼制项目，将两者进行一体化优化，可以使建设成本和运行成本更低，资源利用更加合理，物流运输更加便捷，不但能够直接创造经济和环境效益，而且能够缓解生物炼制所面临的诸多困难，有助于产业健康稳定发展，是促进我国生物能源发展的有效对策之一，对我国能源、化工等行业的可持续发展具有重要意义。

3.5 坚持可持续发展

实行清洁生产，实现综合利用、循环利用、尽量减少排放和能耗[26-27]；将能源开发与废物处理结合起来，如在生物制氢中可以优先考虑以城市垃圾和工业废水为原料；在整体、协调、再生、循环的前提下合理建设以生物能源为纽带的生态产业园，如沼气工程等。

在综合利用时，除考虑近期重点发展生物燃料外，也应规划中期和长远发展，便于在未来增加产品种类，扩大生产规模。这就需要在当前产业规划、项目和企业配套设施建设等问题上做到远近兼顾，综合考虑。同时，注重人才培养与关键技术攻坚，建设国家级、区域性研究开发平台，建成中国可持续能源体系，总量上基本满足中国经济社会发展的能源需求，结构上对化石能源的依赖度降低到60%以下，可再生能源成为主导能源之一。生物能、太阳能、水能等可再生能源技术实现规模化和商业化应用，力争突破核聚变能技术。

4 结束语

全球性能源安全问题给生物能源及可再生能源提供了良好的发展时机。生物能源可以缓解环境压力及对石油能源的迫切需求，同时是农业农村朝阳产业。发展生物能源，要依托农村、农业和农业工程协同发展，推动生物能源产业健康、有序、稳步发展。